中国卒中杂志 ›› 2025, Vol. 20 ›› Issue (4): 401-409.DOI: 10.3969/j.issn.1673-5765.2025.04.003
程相鑫1,张烁1,杜松骏1,刘子阳1,周宏宇2,3,贾伟丽2,3,李子孝2,3,刘涛1
CHENG Xiangxin1, ZHANG Shuo1, DU Songjun1, LIU Ziyang1, ZHOU Hongyu2,3, JIA Weili2,3, LI Zixiao2,3, LIU Tao1
摘要: 目的 本研究旨在构建并研发一种基于低成本惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)信号的上肢多关节运动状态识别系统,用于快速、可靠地解码人类活动中的上肢多关节(前臂、肘关节、肩关节)运动状态,为卒中后上肢康复评估中的运动模式识别和日常运动监测提供支持。
方法 本研究纳入4名健康受试者,通过部署于手腕和上臂的IMU采集受试者的6维(3轴加速度+3轴角速度)运动信号,每名受试者重复10次。基于Fugl-Meyer运动功能评定量表上肢部分的屈肌协同运动,设计8个子任务,每个任务对应前臂(是否旋后)、肘关节(是否屈曲)、肩关节(是否上提)的三元状态标签。构建基于单任务迁移的多标签分类框架(即独立训练单关节分类器后融合输出)。在算法层面,对比了传统机器学习方法(时频域特征+随机森林)与深度学习算法(长短期记忆网络的网络端到端学习)。通过5折交叉验证评估上肢多关节运动状态识别系统的准确性,并设计消融实验分析传感器配置(如单腕 vs. 腕+臂)对解码性能的影响,以探索硬件优化空间。
结果 研究共采集4名健康受试者的320个运动数据样本,结果提示,本研究设计的运动状态识别系统在上肢多关节状态解码中表现良好:传统机器学习方法在肘关节状态分类中的平均准确率为79.37%,而深度学习模型IBNet(Inception-BinaryNet)的准确率达到87.5%,显示出更强的模式学习能力。消融实验发现,仅使用手腕IMU时,肘关节状态分类准确率超过了双IMU配置(92.5% vs.87.5%),且在其他任务中差异不显著,这表明优化传感器部署(如减少上臂IMU)可降低系统复杂度,同时保持较高性能。
结论 本研究成功构建了一种基于低成本IMU的上肢运动状态识别系统。研究发现,深度学习算法在解码复杂运动模式时优于传统机器学习,且单手腕IMU在特定任务中可替代双传感器配置,为硬件优化提供了依据。
中图分类号: